國(guó)Ⅴ輕型柴油車排放法規(guī)發(fā)展及后處理應(yīng)對(duì)技術(shù)

孫?飛，胡?帥，高延新，王光遠(yuǎn)，馬?標(biāo)，李?杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

國(guó)Ⅴ輕型柴油車排放法規(guī)發(fā)展及后處理應(yīng)對(duì)技術(shù)

孫?飛，胡?帥，高延新，王光遠(yuǎn)，馬?標(biāo)，李?杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

輕型柴油車以其良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，在城市運(yùn)輸和物流方面應(yīng)用前景廣闊，但是尾氣中碳煙顆粒的處理一直是排放控制重點(diǎn)。隨著輕型柴油車國(guó)V階段排放法規(guī)的實(shí)施，針對(duì)輕型柴油車碳煙顆粒的后處理技術(shù)更加明確，DPF是一種安全可靠的后處理系統(tǒng)裝置。本文針對(duì)國(guó)V階段輕型柴油車排放法規(guī)發(fā)展及后處理DPF技術(shù)進(jìn)行分析研究，為輕型柴油車排放控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供一定參考。

國(guó)V 輕型汽車；排放法規(guī)；排放控制系統(tǒng)

1 排放法規(guī)趨勢(shì)

輕型柴油車國(guó)V 階段排放法規(guī)于2013年發(fā)布，GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》，自2018年1月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型汽車應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求。目前北京、上海等發(fā)達(dá)地區(qū)已相繼實(shí)施國(guó)V階段排放法規(guī)，歐洲已于2015年進(jìn)入歐VI階段。輕型車和重型車在歐V和歐VI階段，NOx和PM均有大幅度降低，且都對(duì)顆粒物數(shù)量進(jìn)行了限制，這就要求車輛必須加裝DPF（Diesel Particulate Filter）顆粒捕集器，才能滿足法規(guī)要求。中國(guó)第五階段輕型柴油車排放法規(guī)限值見表1。

表1 國(guó)Ⅴ輕型柴油車法規(guī)限值

表1中對(duì)顆粒物數(shù)量進(jìn)行了明確限制，6×1011個(gè)/km，意味著只通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化沒有辦法達(dá)到顆粒物數(shù)量的限值，必須采用DPF技術(shù)滿足要求。輕型車排放測(cè)試循環(huán)NEDC循環(huán)為冷啟動(dòng)測(cè)試，排溫較低，SCR技術(shù)在低溫效率很低甚至沒有作用，需要使用帶旁通式的EGR系統(tǒng)通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化降低NOx排放。因此國(guó)V階段輕型柴油車后處理系統(tǒng)選用DOC（Diesel Oxidation Catalysts）+DPF技術(shù)路線。

2 DPF工作原理

2.1 PM的組成

在輕型柴油車中PM（Particulate Matte）排放在0.1～1.0 g/km的數(shù)量級(jí)；PM組成包括干碳煙、可溶性有機(jī)物（SOF）、灰分、硫酸鹽和水，其中干碳煙和SOF占73%左右［1］。SOF主要包括未燃的燃油和機(jī)油，灰分包括腐蝕磨損（Fe，Cu，Cr，Al）、機(jī)油添加劑（Ca，Zn，P，S，）和機(jī)油中的基礎(chǔ)油［2］。PM組成大概比例如圖1所示。

圖1 PM的組成

2.2 DPF捕集原理

顆粒捕集器內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其兩端一邊是敞開，一邊是堵塞的通道壁，廢氣從敞開的一端進(jìn)入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰的通道排出。大部分微粒由于體積過(guò)大而無(wú)法穿越壁孔，因而被過(guò)濾在通道壁上而不會(huì)排放到空氣中。捕集原理如圖2所示。

圖2 捕集原理

2.3 DPF再生原理

DPF需要再生的原因：DPF中隨過(guò)濾下來(lái)顆粒的積存，過(guò)濾孔逐漸堵塞，排氣阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的惡化，因此必須及時(shí)除去DPF中的顆粒，這稱為顆粒捕集器的再生。目前，根據(jù)再生原理的不同可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩大類。

1）主動(dòng)再生技術(shù)

主動(dòng)再生是通過(guò)提高氣流溫度，使顆粒燃燒。目前采用較多的是噴油助燃再生，該再生技術(shù)分為排氣管噴射和缸內(nèi)后噴。

排氣管噴油再生是通過(guò)一套專門的系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上適時(shí)地向載體上游空間噴入燃油，噴入的燃油經(jīng)過(guò)DOC的氧化作用使排氣溫度上升，顆粒著火燃燒，以實(shí)現(xiàn)DPF的再生。

缸內(nèi)后噴則不需要增加額外的系統(tǒng)，只需要在正常噴油結(jié)束后加入后噴，后噴的燃油隨氣流進(jìn)入DOC中氧化，提高排氣溫度，顆粒著火燃燒。但是缸內(nèi)后噴會(huì)帶來(lái)機(jī)油稀釋的風(fēng)險(xiǎn)，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)耐久和可靠性，因此目前輕型車主要采用缸內(nèi)后噴，重型車主要采用排氣管噴射。

2）被動(dòng)再生技術(shù)

被動(dòng)再生是利用化學(xué)催化的方法降低PM的反應(yīng)活化能，使顆粒在柴油機(jī)正常排氣溫度下燃燒以實(shí)現(xiàn)再生的目的。

被動(dòng)再生的主要原理：在前級(jí)DOC催化器的氧化作用下，NO與O2結(jié)合生成NO2，加上尾氣中的NO2。NO2在含有貴金屬涂層的催化作用下，其分子鍵在較低溫時(shí)（250℃左右）斷裂，所需能量為305 kJ／mol。產(chǎn)生的O與被捕集到的碳顆粒燃燒，生成CO2。主要的化學(xué)反應(yīng)如下

3）再生循環(huán)

如圖3所示，再生循環(huán)包括PM的捕集過(guò)程、背壓上升、噴油主動(dòng)再生。其中DOC的主要作用是：處理HC、CO；為DPF 的被動(dòng)再生提供NO2；氧化燃油，為DPF的主動(dòng)再生提供高溫。

3 DPF系統(tǒng)組成

DPF系統(tǒng)（包括DOC）由催化器、傳感器和封裝管路組成。DPF系統(tǒng)組成如圖4所示。

3.1 載體

DPF載體要求低壓降，高過(guò)濾效率（對(duì)于大部分壁流式DPF，過(guò)濾效率較高，＞99%；干凈的 DPF過(guò)濾效率可能較低，＜80%），熱穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性-抗高溫和高溫度梯度，低熱膨脹率，高熱導(dǎo)率，化學(xué)穩(wěn)定性-在所有溫度范圍內(nèi)抗“灰分”。

圖3 再生循環(huán)

圖4 DPF系統(tǒng)組成

載體的主要材料有：堇青石，碳化硅SiC，鈦酸鋁AT等。

SiC材料耐熱溫度較高，由于熱傳導(dǎo)率和熱容量大，即使有大量的PM滯留，溫度上升不至于過(guò)高，因此可以安全再生。堇青石熱膨脹系數(shù)小，可以做成一體型的，細(xì)孔的設(shè)計(jì)自由度高，可以降低背壓，相反，由于熱傳導(dǎo)率低，當(dāng)再生大量的PM時(shí)，需要精密控制再生溫度。鈦酸鋁熱膨脹系數(shù)小，可以做成一體型，耐沖擊性高。幾種載體材料的參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 載體參數(shù)對(duì)比

目前載體的新技術(shù)包括薄膜技術(shù)、不對(duì)稱孔技術(shù)、新AT材料（相比原AT材料，可降低壓降約30%）、新堇青石DPF（顯著降低壓降）、SiC材料優(yōu)化（氣孔分布，降低壓降損失）。具體技術(shù)介紹見表3。

表3 載體新技術(shù)

3.2 涂層

目前DPF涂層技術(shù)主要以Pt/Pd技術(shù)為主，因?yàn)镻t/Pd配比抗失活性好，DPF主動(dòng)再生時(shí)溫度會(huì)達(dá)到700～800℃，成本方面Pd的成本比Pt低。DPF貴金屬的另外一個(gè)作用是氧化NO，提高DPF被動(dòng)再生的比例，延長(zhǎng)再生里程，降低燃油耗。但是NO的氧化主要依靠DOC，因此DPF內(nèi)的貴金屬含量不需要太高。

3.3 封裝管路

封裝組成包括：殼體、管路、襯墊、隔熱罩和固定支架。

封裝的關(guān)鍵點(diǎn)：①封裝工藝：襯墊尺寸檢測(cè)、壓緊力控制、壓緊方式；②設(shè)計(jì)支持：三維設(shè)計(jì)能力、CFD分析能力、強(qiáng)度和振動(dòng)分析、聲學(xué)分析；③檢測(cè)能力：材料、噪聲、熱機(jī)械疲勞等測(cè)試；④傳感器位置的設(shè)計(jì)、背壓預(yù)測(cè)等。

4 DPF系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 封裝可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

封裝設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)主要包括熱沖擊試驗(yàn)、熱振動(dòng)試驗(yàn)、內(nèi)部熱沖擊試驗(yàn)和冷態(tài)襯墊保持力測(cè)試試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。整車搭載DPF可靠性試驗(yàn)需進(jìn)行至少2萬(wàn)公里，包括高速環(huán)路、強(qiáng)化路、場(chǎng)內(nèi)山路、一般公路。

表4 封裝可靠性試驗(yàn)

4.3 DPF耐久試驗(yàn)

在車輛實(shí)際行駛過(guò)程中會(huì)發(fā)生3種再生情況：正常再生，不可控再生和不完全再生。

1）正常再生 屬于可控再生，再生溫度維持在600～700℃。

2）不可控再生 再生溫度達(dá)到850～1 300℃。

3）不完全再生 再生過(guò)程不完全，碳煙未完全燃燒。

3種再生情況需要在臺(tái)架上模擬實(shí)際情況。對(duì)于輕型車，在其全部使用壽命周期內(nèi)大概會(huì)發(fā)生320次，臺(tái)架模擬實(shí)際情況可通過(guò)提高再生的溫度來(lái)縮短再生次數(shù)。

4.2 DTI（怠速跌落Drop To Idle）試驗(yàn)驗(yàn)證

怠速跌落試驗(yàn)是DPF再生中最惡劣的工況，因?yàn)橥蝗唤档∷俸?，排氣中氧含量充足，碳煙更容易燃燒，排氣流量也大幅降低，由氣流帶走的熱量減少，因此載體的溫度急劇升高，極易造成載體的破損。而且該工況在車輛實(shí)際行駛過(guò)程有幾率發(fā)生，因此必須保證在DTI試驗(yàn)中DPF不會(huì)發(fā)生失效模式。

其次，DTI試驗(yàn)是確定再生極限最重要的手段。所謂再生極限，是指當(dāng)DPF內(nèi)部的碳載量堆積到超過(guò)一定量時(shí)，在這個(gè)狀態(tài)進(jìn)行再生操作產(chǎn)生的熱量有破壞DPF載體的可能，對(duì)于此時(shí)的碳載量，稱作再生極限。

進(jìn)入怠速的時(shí)機(jī)和降怠速時(shí)DPF入口溫度是DTI試驗(yàn)中影響再生后最高溫度的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。進(jìn)入怠速的時(shí)機(jī)取決于DPF載體（材料、壁厚和形狀）、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和排氣流量。DPF入口溫度越高，降怠速后再生后的最高溫度越高。

1）DPF入口溫度：①低：DPF最高溫度低（燃燒速度平緩）；②高：DPF最高溫度高（燃燒速度快速）。

2）DTI時(shí)機(jī)：①遲：DPF最高溫度低（DTI前碳顆粒已經(jīng)開始燃燒）；②早：DPF最高溫度低（DTI時(shí)入口排氣溫度低）。

DTI試驗(yàn)中設(shè)定的最高溫度和溫度梯度依各載體材料規(guī)格不同而不同，最終確定的再生極限是保證再生溫度和溫度梯度均不超過(guò)載體破損的限值。試驗(yàn)一般方案如表5所示，對(duì)于不同入口溫度，降怠速時(shí)機(jī)進(jìn)行組合，測(cè)試不同碳載量時(shí)載體達(dá)到的最高溫度和溫度梯度。

表5 DTI試驗(yàn)策劃

5 DPF失效模式

DPF的主要失效模式如表6所示。

表6 DPF失效模式

6 結(jié)論

中國(guó)第5階段輕型柴油車排放法規(guī)對(duì)顆粒物數(shù)量PN進(jìn)行了明確限制，6×1 011個(gè)/km，必須采用DPF技術(shù)滿足法規(guī)要求。DPF是降低柴油機(jī)PM排放比較有效而成熟的后處理技術(shù)，其主要設(shè)計(jì)包括載體、涂層和封裝及其傳感器管路設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的使用車型、環(huán)境和溫度要求，選擇合適載體和涂層配方，設(shè)計(jì)流體均勻性好、安全可靠的封裝外殼。同時(shí)整車和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證DPF累碳和再生功能，盡量減少再生頻率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，保證DPF催化器的耐久性和可靠性。DPF系統(tǒng)最關(guān)鍵的是能夠可靠地再生，未來(lái)仍需要在柴油機(jī)排放后處理控制中，不斷優(yōu)化DPF的材料和再生策略，實(shí)現(xiàn)更高PM轉(zhuǎn)化效率、安全性和可靠性，同時(shí)以更低的成本實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的零排放。

［1］ 周龍保，劉巽俊，高宗英，等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版，2005.

［2］ 趙航，王務(wù)林，楊建軍，等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［3］ Shingo Iwasaki，Takashi Mizutani，Yukio Miyairi，etc. New Design Concept for Diesel Particulate Filter［J］.SAE，2011，2011-01-0603.

［4］ Krishna Aravelli，Achim Heibel. Improved Lifetime Pressure Drop Management for Robust Cordierite（RC）Filters with Asymmetric Cell Technology（ACT）［J］.SAE，2007，2007-01-0920.

［5］ Thorsten Boger，Joshua Jamison，Jason Warkins，etc. Next Generation Aluminum Titanate Filter for Light Duty Diesel Applications.［J］.SAE，2011，2011-01-0816.

［6］ Thorsten Boger，Suhao He，Thomas Collins，etc. A Next Generation Cordierite Diesel Particle Filter with Significantly Reduced Pressure Drop［J］.SAE，2011，2011-01-0813.

（編輯 章 子）

征集“新能源汽車”稿件

全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走向商品化，面臨規(guī)?；?。新能源汽車已是全球競(jìng)相追逐的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，方興未艾。新能源汽車的中國(guó)時(shí)代即將來(lái)臨，中國(guó)已經(jīng)為全面發(fā)展新能源汽車做好了充分的準(zhǔn)備，這一結(jié)論來(lái)源于以下四個(gè)方面。

一、新能源汽車已經(jīng)被明確為中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略，后續(xù)政策將陸續(xù)出臺(tái)，這是國(guó)家意志的展現(xiàn)。

2014年以來(lái)，國(guó)務(wù)院、國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、工信部、交通部等多個(gè)中央部門出臺(tái)了新一輪的新能源汽車補(bǔ)貼政策，明確支持新能源汽車的發(fā)展。

二、經(jīng)過(guò)數(shù)年的積累，一批富有創(chuàng)造精神的企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈幾乎所有關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)上取得了突破，中國(guó)的產(chǎn)業(yè)體系已經(jīng)具備競(jìng)爭(zhēng)力；我國(guó)金融界提出中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)投資價(jià)值的排序依次是：電解質(zhì)、隔膜、整車、電機(jī)電控、鋰資源和充電樁。

三、伴隨著動(dòng)力電池由鉛酸蓄電池向鋰電池快速切換，通過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的積聚效應(yīng)以及核心技術(shù)的大面積突破，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)已初步建立起完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，對(duì)全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化將起到?jīng)Q定性作用。

四、從2015年9月下旬迄今，不到40天的時(shí)間里，李克強(qiáng)總理已經(jīng)多次提及新能源汽車。

2015年9月23日李克強(qiáng)總理主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，部署加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施和城市停車場(chǎng)建設(shè)。

2015年9月29日召開的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議再次聚焦新能源汽車議題。會(huì)議決定出臺(tái)一系列新能源汽車扶持政策，例如支持動(dòng)力電池、燃料電池汽車等研發(fā)，開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范試點(diǎn)等。

2015年10月9日，為落實(shí)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議精神，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》。

2015年10月22日，全國(guó)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)工作座談會(huì)召開，李克強(qiáng)總理作出重要批示：加快發(fā)展節(jié)能與新能源汽車。針對(duì)發(fā)展重點(diǎn)，批示指出，著力突破核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件制約、提升自主創(chuàng)新能力和技術(shù)水平，落實(shí)和完善扶持政策、優(yōu)化配套環(huán)境，創(chuàng)新商業(yè)模式、擴(kuò)大先進(jìn)適用的節(jié)能與新能源汽車的市場(chǎng)應(yīng)用。

2015年10月30日，李克強(qiáng)總理到安徽江淮集團(tuán)控股有限公司考察新能源汽車研發(fā)生產(chǎn)情況。而對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)家定位就更清晰：努力實(shí)現(xiàn)2020年新能源汽車規(guī)劃目標(biāo)，加快建成新能源汽車強(qiáng)國(guó)。

5年以來(lái)，《汽車電器》雜志出版了多期“新能源?？保_發(fā)表了許多單位、作者的研究成果與經(jīng)驗(yàn)，被多家網(wǎng)站轉(zhuǎn)載，有的文章的被引頻次與下載頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出同期汽車類“核心期刊”，從一個(gè)角度說(shuō)明了本雜志所刊出文章的水平。

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《汽車電器》雜志社

The Development of China Ⅴ Light Duty Diesel Vehicle Emission Regulation and After-treatment Techniques

SUN Fei，HU Shuai，GAO Yan-xin，WANG Guang-yuan，MA Biao，LI Jie（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Light duty diesel vehicle has wide application prospects in urban transportation and logistics. Particle in diesel engine exhaust has always been the focus of emission control. With the implementation of China V stage of the light duty diesel vehicle emission regulation，the after-treatment technology of PM becomes more specific. DPF is a safe and reliable aftertreatment system device. This paper will make an analytical research about the development of China V stage light duty diesel vehicle emission regulation and DPF after-treatment techniques，which provides some references for developing emission control system of light duty diesel vehicles.

China V light vehicle；emission regulation；emission control system

U473.9

A

1003-8639（2017）11-0023-05

2017-08-28；

2017-09-04

孫飛（1986-），男，安徽宿州人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理設(shè)計(jì)開發(fā)工作。